大型水库三维水温模型和分层取水研究

随着水利技术的发展，高坝水库的建设进入飞速发展的时期。据不完全统计，国外建成的100 m以上的高坝670多座，我国已建和在建的100 m以上的高坝约108座。这些水库由于水深较大，流速较小，在特定季节容易形成垂向水温分层。水体分层会严重削弱水体的垂向混合能力，水质在垂直方向会出现明显的差异性，对水环境产生显著影响。目前国内外大型水库的水温分层模拟多采用垂向一维和立面二维数学模型，对水库水温分层进行三维模拟尚不多见，迫切需要建立自主开发的三维水温模型。. 本课题采用物理模型试验获得大型水库水温分层的系统资料，通过改进紊流模型和设计静水假定的修正方法，建立大型水库水温分层三维数值模型。在此基础上，利用该模型研究大型水库的合理分层取水方式，为库区及下游河道的水环境保护提供科学依据。

随着现代水利技术的发展，大型水库的建设在我国进入高峰期。由于大型水库水深大、流速小、水体交换能力弱，水温分层导致的系列环境问题日益凸显。本项目建立数值模型对大型水库的水温分布进行了深入研究，得到系列研究成果：（1）根据大型水库的特点建立了三维水温预测数值模型，采用算子分裂方法，提高了方程的求解效率，将三维模型在水库中的应用推进到新的阶段；（2）针对模型中采用的2.5阶紊流模型，对其中的参数敏感度进行了分析和研究，对比了若干关键参数取值方式对于计算精度和水温分层强度的影响，对于考虑浮力影响的紊流模型应用提供了参考依据；（3）利用数学模型研究了目前常有的两种垂向坐标系对温度分层流的影响，结果显示sigma坐标对于冷水下潜过程的模拟更加精确，z坐标易引起底部虚拟的涡动，导致垂向虚假扩散增强；（4）利用室内模型研究了水库入流流量和取水方式对于水库库首温度分层的定量影响，获取了系列实验观测资料，为数学模型率定和分层流理论研究提供了数据支持；（5）利用数学模型解决了一系列水温预测工程问题。采用大型水库的水温预测模型，对三峡水库、二滩水库、阿海水库的设计及运行进行了数值模拟。三峡水库、二滩水库的水温数值模拟结果和实测资料基本吻合，并在此基础上对三峡水库高水位运行下的水温分布进行预测，提出在春夏之交特定水文条件下垂向温差可达2℃的观点。对于阿海水库，预测丰、平、枯不同水文年份下的水温分层强度，结果显示在枯水年分层强度最强，三月份可达4.59℃。（6）利用数值模型对深圳湾水环境进行了预测研究，并建立了水环境信息管理应急决策系统。在本项目的资助下，已出版专著2部，1部专著正在出版中，发表学术论文12篇，其中EI检索5篇，目前尚有部分成果在进一步整理中。在人才培养方面，共完成4名硕士生培养，其中3名已经完成毕业论文，通过答辩，还有1名已完成论文工作，预计于本年度5月份答辩。